红外-热导联合法测定污泥中碳氢氮含量的研究

孙　倩，申晓晓，何俊宝（.天津市环境卫生工程设计院，天津　3000；.天津市市容环境工程设计研究所，天津3000）



红外-热导联合法测定污泥中碳氢氮含量的研究

孙倩1，申晓晓1，何俊宝2
（1.天津市环境卫生工程设计院，天津300201；2.天津市市容环境工程设计研究所，天津300201）

【摘要】对运用红外-热导联合法测定污泥中碳氢氮含量的可行性做了相关研究性实验，结果表明：运用该方法对国家有证煤标准物质进行连续3次测定，碳、氢、氮含量均在该标准物质认定值的用户使用参考不确定度范围之内；进而分别对2个污泥样品进行6次测定，并计算结果的相对标准偏差，碳为0.22%、0.44%，氢为0.55%、0.61%，氮为1.13%、0.85%，符合方法中相对标准偏差碳≤2.7%、氢≤1.9%、氮≤4.4%的要求。

【关键词】污泥；红外-热导联合法；碳；氢；氮

污泥中碳、氢、氮元素是评定其焚烧性能的重要指标，其中碳和氢是热量的主要来源，其含量决定了污泥热值的高低，氮在污泥燃烧时大部分呈游离状态，但也会生成少量氮氧化物，对环境造成一定程度的污染。因此，碳、氢、氮元素在污泥中的含量，成为污泥焚烧过程中选择焚烧条件、设备选型及燃烧计算等方面的重要依据［1］。

CJ/T 221—2005城市污水处理厂污泥检验方法中规定了污泥中氮含量的测定采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，但该方法操作复杂，测定周期长且不易掌握，难以满足快速测定的需求，且未对污泥中碳、氢含量的检测做出相关规定［2］，为有效提高污泥中碳、氢、氮含量的测定速度与准确度、缩短测定周期、提高自动化程度，笔者对红外-热导联合法测定污泥中碳、氢、氮含量的可行性进行相关研究。

1　测定原理

红外-热导联合法综合使用光谱和热导技术对样品中的元素进行定量分析。其中，红外法利用H2O、CO2因结构不同而对红外光选择性吸收的特性来进行碳、氢元素定性和定量分析；热导法利用N2和He的热导系数不同而引起电阻变化来进行氮元素定量分析。红外-热导联合法测定污泥中碳、氢、氮含量的原理如图1所示。

图1　红外-热导联合法测定污泥中碳氢氮含量原理示意

污泥样品在氧气流中充分燃烧，燃烧产物经燃烧炉中的炉试剂净化后，去除其中的SOx、卤素单质、卤化氢等杂质，只留下CO2、H2O、少量的N2、NO及氧气的混合物被收集在混气罐中。经充分混匀后，定量抽取1份混匀后的气体送入红外检测池分别测定H2O和C02的含量，从而计算出碳、氢元素的含量；定量抽取另一份混匀后的气体由高纯氦气作为载气携带在还原炉中去除氧气，并将其中的NOx还原为N2，经碱石棉和高氯酸镁分别除去CO2、H2O，然后进入热导池测定N2含量，从而计算出氮元素的含量［3］。

2　仪器和试剂

仪器：5E-CHN2200元素分析仪（包括燃烧系统、处理系统、检测系统和控制系统）、万分之一电子分析天平。

试剂：国家有证煤标准物质、高纯氧气、高纯氦气、高纯氮气及碱石棉、高氯酸镁等仪器用填充试剂。

3　实验方法

3.1样品准备

污泥样品的制备按照《城市污水处理厂污泥检验方法》的相关规定进行［2］。将湿污泥样品平铺于瓷托盘上，用玻璃棒等压散，除去污泥中石子和动植物残体等异物后烘干，将干污泥样品混匀后用四分法缩分至获得所需样品，研磨后混匀备用。

3.2样品测定

参数设定：开机后在室温下对仪器进行炉膛冷态气密性检查和氦气气路诊断，系统提示气密性良好后进行温度设置（主燃烧炉950℃，次燃烧炉850℃，恒温室50℃，储气罐50℃，还原炉600℃），仪器自动升温到设定温度，一般恒温2.5 h左右仪器稳定后可进行测试。

空白实验：实验前进行待机吹扫。一般用2.0 L/min的氧气流量吹扫10 min，潮湿天气或仪器闲置较长时间时，由于气路内水分较多导致红外池输出电压较低，可适当延长吹扫时间，使红外池输出电压恢复正常，仪器稳定。吹扫完毕后马上添加3～5个空白样品进行测试，直至空白值稳定。对于空白样品系统默认水分为零，质量为0.800 0 g。

漂移校正：待空白值稳定后，接着做2个废样，废样测试完成后，准确称取2个国家有证煤标准物质（85 mg左右）包成水滴状放入自动进样装置，选定测量用方法，输入质量和水分。测定以供漂移校正，如果煤标样测试数据结果准确，可以不必进行漂移校正。

样品测定：准确称取待测样品（85 mg左右）于盛样容器中，并包成水滴状。为保证数据的准确性，每个样品必须做2个平行样。将称好的样品依次放入自动进样装置，选定测量方法，输入质量和水分。点击开始分析按钮后，元素分析仪将自动开始第1个样品的分析，分析结束后电脑直接计算出样品中碳、氢、氮的含量，并依次进行其他样品的测试。每个样品分析周期约为7 min。

3.3注意事项

样品测试应在仪器达到稳定状态后进行。判断仪器是否稳定的条件为：热导池温度达到（110± 0.05）℃恒温，150 s内热导池输出电压波动在1 mV左右；以中气流吹扫C、H红外池，H2O池电压150 s内波动在10 mV左右。

应选择合适的校正曲线。用于漂移校正的标样和待分析试样的碳、氢、氮含量应位于校正曲线的中央区域。

测试时应注意样品是否燃烧完全。测试过程中注意监测池电压，如果燃烧3阶段的后期监测池电压值与吹扫11阶段的监测池电压值基本一致，说明测试样品燃烧完全，否则未燃烧完全。测试污泥样品时，若燃烧1阶段检测电压为下降，则可能为卡样或样品超出红外池的响应范围。

4　结果与讨论

准确度与精密度是评价分析方法的2个重要指标。为评价运用红外-热导联合法测定污泥中碳、氢、氮含量的准确性和可靠性，选取国家有证煤标准物质（GBW11111j）为标准样品进行分析，以验证该方法的准确度；同时选取天津市汉沽垃圾焚烧发电厂2个污泥样品为测试样品，分别多次测定样品的碳、氢、氮含量，以验证该方法的精密度。

4.1准确度检验

用建立的方法分析标准物质，是评价方法准确度最可靠的方法之一。用红外-热导联合法对国家有证煤标准物质（GBW11111j）进行连续3次测定，所得结果如表1所示。

表1　煤标准物质碳氢氮含量测定结果

煤标准物质（GBW11111j）的认定值和用户使用参考不确定度为：碳（Cd，%）63.15±0.47、氢（Hd，%）4.05±0.13、氮（Nd，%）1.10±0.07。由表1可知，3次测定所得煤标准物质的碳、氢、氮含量分别为63.18%～63.49%、4.06%～4.07%、1.09%～1.10%，均在其认定值的用户使用参考不确定度范围内。

4.2精密度检验

通常用相对标准偏差来量度方法的精密度。实验室内用红外-热导联合法对2个污泥样品分别进行6次测定，并计算相对标准偏差，结果如表2所示。

表2　污泥样品碳氢氮含量测定结果的相对标准偏差%

由表2可知，2个污泥样品碳含量测定结果的相对标准偏差分别为0.22%、0.44%，氢含量测定结果的相对标准偏分别为0.55%、0.61%，氮含量测定结果的相对标准偏差分别为1.13%、0.85%，符合方法相对标准偏差的要求。

5　结束语

通过准确度检验和精密度检验可知，运用红外-热导联合法测定污泥中的碳、氢、氮含量完全可行。该方法具有操作简便、测试周期短、灵敏度高、准确度高等特点，能满足污泥中碳、氢、氮含量快速测定的要求，在分析监测领域有较好的应用前景。

参考文献：

［1］ 李晓东，岑宇虹.污泥流化床焚烧技术的研究及应用［J］.燃烧科学与技术，2002，8（2）：159-162.

［2］ 建设部给水排水产品标准化技术委员会.城市污水处理厂污泥检验方法：CJ/T 221—2005［S］.北京：中国标准出版社出版，2006.

［3］ 李婷，徐开群.红外-热导联合法测定煤中碳氢氮含量的原理解析［J］.煤质技术，2012（1）：25-28.

中图分类号：X705

文献标识码：A

文章编号：1005-8206（2016）02-0044-03

作者简介：孙倩（1988—），主要从事生活垃圾的监测与分析。

收稿日期：2015-12-04

Contents Determination of Carbon，Hydrogen and Nitrogen in Sewage Sludge by Using Infraredthermo Conductive Method

Sun Qian1，Shen Xiaoxiao1，He Junbao2
（1.Tianjin Environmental Sanitation Engineering Design Institute，Tianjin300201；2.Tianjin City Appearance and Environmental Engineering Design&Research Institute，Tianjin300201）

【Abstract】The experiment to study the feasibility of using infrared-thermo conductive method to determine the content ofcarbon，hydrogen and nitrogen in sewage sludge wascarried out.The resultsshowed that the contentsof carbon，hydrogen and nitrogen in coal standard material were within the uncertainty range.The RSD of two sewage sludge samples were 0.22%，0.44%for carbon，0.55%，0.61%for hydrogen and 1.13%，0.85%for nitrogen respectively，which met the requirementsofthe method（≤2.7%for carben，≤1.9%for hydrogen，≤4.4%for nitrogen）.

【Key words】sewage sludge；infrared-thermo conductive method；carbon；hydrogen；nitrogen